Dynamik semiflexibler Biopolymere in heterogener Umgebung

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Transportprozesse von Biopolymeren und Proteinen in der Zelle sind für viele biologische Vorgänge relevant und von grundlegender Bedeutung für die Physik des Nichtgleichgewichts. Man beobachtet eine komplexe Dynamik, die im wesentlichen auf zwei Faktoren zurückgeführt werden kann: Zum einen findet man langsamen, subdiffusiven Transport aufgrund der dichtgepackten, heterogenen Umgebung in der Zelle (molecular crowding). Zum anderen sind Biopolymere durch Verschlaufungen mit Netzwerken aus anderen semiflexiblen Polymeren topologisch eingeschränkt (entanglement), was zu einer Verlangsamung der Dynamik ähnlich der Reptationsdynamik für flexible Polymere führt. Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer theoretischen Beschreibung der Reptationsdynamik semiflexibler Biopolymere, z. B. F-Aktin, in halbverdünnten Lösungen und in räumlich heterogener Umgebung. Eine derartige Theorie schafft Grundlagen für das gezielte Design zukünftiger Biomaterialen mit spezifischen Materialeigenschaften für potentielle Anwendungen in Medizin und Nanotechnologie. Ein mikroskopische Verständnis soll anhand von Modellsystemen mit zunehmender Komplexität und in engem Bezug zu Experimenten erarbeitet werden. Die Systeme sollen vorwiegend mit Hilfe von Computersimulationen untersucht werden, um eine Skalentheorie zu entwickeln, die auf dem Tubuskonzept aufbaut und den Aspekt der Reptation widerspiegelt. Als Resultat steht eine semi-phänomenologische Theorie für die Langzeitdynamik semiflexibler Polymere, welche den Schluss von mikroskopischen Parametern auf makroskopische Materialeigenschaften erlaubt.